[發明專利]樁埋螺旋管式地源熱泵系統的地熱換熱器的傳熱方法

無效

• 申請號: 201310319532.7
• 申請日: 2013-07-26
• 公開（公告）號: CN103388934A
• 公開（公告）日: 2013-11-13
• 發明（設計）人: 方肇洪;趙強;張方方
• 申請（專利權）人: 方肇洪
• 主分類號: F25B30/06
• 分類號: F25B30/06;F24J3/08;G06F17/50
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 鄭華清

技術領域

本發明涉及的是一種樁埋螺旋管式地源熱泵系統的地熱換熱器的傳熱方法，屬于建筑環境與設備工程、制冷工程技術及相關傳熱領域。

背景技術

地埋管地源熱泵系統通過埋在地下的地埋管地熱換熱器與大地進行冷熱交換，實現夏季制冷、冬季供暖，還可以提供生活用熱水，是國家重點推廣應用的實現建筑節能減排的新技術。但由于地源熱泵空調系統的初投資較高使其應用受到限制，鉆孔施工費用居高不下是造成初投資較高的主要原因。針對目前建筑物樁基的使用日益普及，把地埋管與建筑樁基礎結合已成為應用地源熱泵技術的一個新熱點。

和樁結合的螺旋埋管式樁基埋管地源熱泵系統充分利用建筑物的地下面積，通過樁基與周圍大地形成換熱，省去大量的鉆孔和埋管費用，并且大大提高施工效率，施工也極為方便快捷，這將為地源熱泵系統的應用開辟更為廣闊的前景。

由于樁基礎的深度通常遠小于豎直鉆孔埋管的深度，在目前國內外不多的已有樁埋管研究應用中，樁基埋管主要采用了四種形式：串聯雙U型（W型）、單U型、并聯雙U型和并聯三U型。但是，在相對較短的樁中采用單U犁管，管的傳熱面積太少，不能充分發揮樁的作用；W型管易在樁中最高端集氣，引起流動的阻塞；并聯雙U和三U管雖然增加了管在樁中總的傳熱面積，但是流體單程的行程仍偏短，多個U型管并聯設置造成流通截面過大，換熱器進出口溫差偏小，使換熱效果惡化，同時增加了循環水泵的功耗和運行費用。

螺旋管具有傳熱系數比直管的高，在相同空間里可得到更大的傳熱面積，布置更長的管道，更具有安全性的特性。在地源熱泵系統的地埋管換熱器中，就有螺旋埋管換熱器。螺旋埋管可以增加管與土壤的接觸面積，但因其不易施工，主要應用于水平埋管形式。如果將其應用于豎直埋管，需要解決在土壤中盤繞時管間距不易確定的困難，因此目前的文獻中幾乎查不到關于豎直螺旋埋管的資料。但如果將豎直螺旋管與樁基結合，則很容易解決施工上的困難，實施方式可以是將螺旋盤管固定在建筑物地基的預制空心鋼筋籠中，然后隨鋼筋籠一起下到樁井中，再澆注混凝土。因此提出在樁基（灌注樁、地下連續墻）中埋設螺旋管的地源熱泵系統，即樁埋螺旋管式地源熱泵系統。該系統在樁徑大或樁的數量足夠多時可能完全滿足建筑物的需要，當樁埋螺旋管地熱換熱器不足以承擔全部建筑空調負荷時，不足部分可采用鈷孔豎直埋管，或者采用其他冷熱源來補充，這可以通過設計來解決。

此外，樁基螺旋埋管的深度一般會在5～40m的深度，考慮到高層建筑地下室的需求，樁基螺旋埋管的深度還會在增加5～10m的深度。在這個深度撞擊螺旋埋管的常常會遇到含濕巖土層，或是含水層。地下水的滲流對地埋管換熱器的溫度分布影響非常大，由于地下水的流動能夠顯著影響地埋管換熱器的溫度分布，增加換熱器的換熱效果，并有效地降低冷、熱負荷的不平衡程度。而且周圍溫度的分布對地埋管換熱器、樁基埋管地源熱泵系統的設計、運行有非常中用的意義。分析樁基埋管換熱器與周圍巖土的傳熱過程不能忽略地下水滲流的因素。

地熱換熱器的傳熱研究一直是地源熱泵技術的難點、核心和應用基礎。現有的樁基埋管工程中只能依靠試驗或經驗進行傳熱的估算。與鉆孔相比，樁基礎的體量大，其徑向尺度和熱容量都不能忽略，針對鉆孔埋管的傳熱方法己不再適用。另外在已有的樁埋管地源熱泵中，都沒有提出其樁埋管地熱換熱器的傳熱方法，這將成為樁埋管的設計和應用的一個重要障礙。

在專利CN200810159583.7中，雖然提出了樁埋螺旋管式地源熱泵系統的組成和實心圓柱面傳熱方法，但是傳熱方法中均未考慮地下水滲流對地熱換熱器的設計、運行的影響，顯然同工程實際工況存在地下水滲流對溫度分布的影響誤差。

發明內容

本發明的目的就是為了克服已有技術的不足，提供一種具有滿足可持續發展和節能減排對制冷空調行業在節能和環保上的要求，其利用地下水均勻滲流增強換熱的樁埋管換熱器的傳熱方法。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

樁埋螺旋管式地源熱泵系統的地熱換熱器的傳熱方法，如下：

樁埋螺旋管地熱換熱器的傳熱模型采用實心圓柱面熱源模型，無限大多孔介質中的均勻滲流速度為u,可折合成介質當量移動速度U＝ρ_wc_wu/ρc。介質的初始溫度為t₀。無限長實心圓柱熱源的圓心位于z軸，從τ＝0時刻起，開始以恒定的強度q_l(W/m)發熱。

其數學描述為：